Разработка автоматической системы управления с пневмодемпфированием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Стоянова, Наталья Викторовна

• Стоянова, Наталья Викторовна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стоянова, Наталья Викторовна

Введение

Глава 1. О перспективах повышения эффективности работы устройств для считывания и записи информации на оптические диски

1.1 Анализ основных характеристик существующих носителей информации 1:

1.2 Анализ существующих способов виброзащиты

1.3 Газодинамические процессы, протекающие в несущей воздушной прослойке при пневмозахвате и их математическое описание

1.4 Существующие конструкции пневмозахватных устройств 2'

1.5 Особенности синтеза автоматических систем с несущей воздушной прослойкой 3'.

1.6 Цели и задачи

Глава 2. Пневмозахват плоской осесимметричной пластины с центральным отверстием 3'

2.1. Основные гипотезы и допущения З

2.2 Математическое моделирование газодинамических процессов в несущей прослойке захватного устройства 4.

2.3 Имитационные исследования газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке

2.4 Экспериментальные исследования газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке 5;

2.5 Выводы по второй главе 5'

Глава 3. Гармонические колебания в технических системах с пневмозахватом

3.1. Математическое моделирование газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке под действием вынужденных гармонических колебаний газораспределительной решётки

3.2 Имитационные исследования газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке

3.3 Экспериментальные исследования газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке

3.4 Выводы по третьей главе

Глава 4. Активное демпфирование вибрации в автоматической системе с пневмозахватом

4.1. Математическое моделирование газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке пневмозахвата при негармонических колебаниях

4.2. Вычислительная реализация

4.3 Экспериментальные исследования газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке

4.4 Выводы по четвертой главе

Глава 5. Автоматическая система для считывания и записи информации на оптические диски с активной виброзащитой в условиях эксплуатации на железнодорожном транспорте

5.1 Автоматическое управление УСЗ информации на оптический диск

5.2 Техническая реализация УСЗ

5.3 Экспериментальные исследования УСЗ

5.4 Выводы по пятой главе 100 Выводы по работе 102 Список использованной литературы 104 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка автоматической системы управления с пневмодемпфированием»

Современные тенденции в развитии общества и транспорта ставят перед российскими железными дорогами задачу перехода к скоростным, а в дальнейшем и высокоскоростным режимам движения. Указом президента РФ №321 «О мерах по организации движения высокоскоростного железнодорожного транспорта в РФ» дан импульс развитию данного направления в России [1, 2, 3]. Однако следует учитывать, что организация скоростного и, особенно высокоскоростного, осуществляемого по отдельным линиям, движения требует повышенного внимания к вопросам безопасности движения. Требуется коренная реконструкция инфраструктуры железнодорожного транспорта. Особое внимание следует уделить системам диагностики и мониторинга работы устройств и оборудования, ориентированного на выявление предотказного состояния, способов и носителей для оперативной передачи и долговременного хранения информации для своевременного предотвращения сбоев и отказов, и последующего анализа работы устройств и оборудования. На основании зарубежного опыта применения систем контроля и управления на железнодорожном транспорте, следует признать, что оптимальным решением для записи и хранения информации в движущемся вагоне является применение в качестве носителей стандартных оптических дисков [4]. В отличие от прочих носителей оптический диск сохраняет информацию в полном объеме при любых, не приводящих к разрушению, вибрациях и электромагнитных воздействиях.

Ограничения на его применение в настоящее время накладывают технические особенности считывающих и записывающих устройств (УСЗ), представляющих из себя жесткие, с механической точки зрения, конструкции. Вибрации в них передаются ко всем частям, зачастую приводя к нарушению взаимного позиционирования оптических лучей, носителя, линзы и считывающей головки, что ведет к сбою работы устройств.

Анализ существующих средств виброзащиты показал их недостаточную эффективность в условиях эксплуатации на железнодорожном транспорте, характеризующейся широким спектром разнонаправленных негармонических колебаний, ударов и толчков возникающих вследствие «боковой качки», «галопирования» и «подпрыгивания». Они обеспечивают виброзащиту в узких пределах изменения частоты и амплитуды тестовых гармонических колебаний.

Возникает необходимость в применении высокоадаптивных решений и, следовательно, активной виброзащиты. Одним из таких решений является использование пневмоустановок с несущей воздушной прослойкой в качестве виброизолирующего элемента.

В основе теории несущей прослойки - труды JI. Прандтля, теории струй - Бай Ши-и, фундаментальные труды Константинеску, К.С. Ахвердиева, C.B. Пинегина, работы практического применения газового буфера - Боброва В.П., Маховера Ю.М., Резника В.Ю [5, 6].

Так как в условиях эксплуатации на железнодорожном транспорте приборы и устройства подвергаются разнонаправленным вибрациям в широком спектре частот и амплитуд, толчкам и ударам, необходимо оперативно регулировать демпфирующие свойства прослойки в соответствии с характером внешних воздействий. Такое регулирование возможно лишь в результате использования быстродействующей высокоточной автоматической системы управления, реализованной с применением современной элементной базой и функционирующей на основе оригинального программного обеспечения.

Актуальность представленной работы заключается в том, что предлагается новый подход к решению вопроса о виброзащите считывающих и записывающих устройств (УСЗ) за счёт применения несущей воздушной прослойки с демпфирующими свойствами, регулируемыми автоматической системой управления.

Цель работы: повышение эффективности работы УСЗ информации на оптические диски за счет использования автоматической системы с активной виброзащитой. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- анализ конструкций существующих устройств с несущей воздушной прослойкой, как объектов автоматизированного управления;

- разработка математического описания газодинамических процессов, протекающих в несущей воздушной прослойке при пневмозахвате осесимметричной пластины с центральным отверстием;

- имитационное моделирование газодинамических процессов, протекающих в несущей воздушной прослойке пневмозахватного устройства с целью выявления основных факторов, влияющих на его работоспособность;

- разработка способа повышения эффективности работы устройства для считывания и записи информации на оптические диски;

- разработка и исследование бесконтактного УСЗ информации на оптические диски;

- разработка автоматической системы активной виброзащиты бесконтактного УСЗ информации на оптические диски;

- разработка алгоритма управления УСЗ;

- разработка программного обеспечения системы;

- апробация полученных результатов исследований в условиях эксплуатации на железнодорожном транспорте.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теории автоматического управления, теоретической механики, теорий газовой смазки и колебаний.

Научная новизна. Предложен новый подход к решению вопросов о виброзащите устройств для считывания и записи информации на оптический диск основанный на применении несущей воздушной прослойке с оперативно-управляемой демпфирующей способностью. Разработана математическая модель газодинамических процессов, протекающих в несущей воздушной прослойке захватного устройства, отличающаяся выбором объекта захвата в виде осесиммметричного диска с центральным отверстием. Разработаны математические модели газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке пневмозахвата при гармонических и негармонических колебаниях, позволяющие, в отличие от существующих, выбирать оптимальные для эффективного виброгашения показателей демпфирующий способности несущей прослойки. Разработана автоматическая система для считывания и записи информации на оптические диски и алгоритм ее управления с соответствующим программным обеспечением.

Практическая ценность работы. Разработана методика расчета устройства с активным пневмодемпфированием, использующее в качестве рабочего элемента несущую воздушную прослойку с регулируемыми свойствами. Разработано программное обеспечение на основе оригинального алгоритма для устройства, работающего в составе автоматической системы управления. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании и расчете подобных средств автоматизации.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на ХЫХ отчетной научной конференции за 2010 год (Воронеж 2011 г.), международной научно-технической интернет-конференции «ЭПАХПП-2011» (Воронеж 2011), международной научно-практической конференции «Динамиката на съвременната наука» (София 2011г.). Разработанное УСЗ прошло промышленные испытания в условиях пассажирского вагонного депо Воронеж Юго-Восточного филиала ОАО «ФПК». Социальный и научно-технический эффект выражался в повышении эффективности работы оборудования и ожидаемый экономический эффект составил 495 тыс. руб.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 1 монография и 3 статьи в журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 62 наименований, 12 приложений. Работа изложена на 145 страницах основного текста, содержит 54 рисунка, 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Стоянова, Наталья Викторовна

Выводы по работе

1. На основе анализа существующих носителей цифровой информации осуществлен качественный выбор и сделан вывод о целесообразности применения оптических дисков на железнодорожном транспорте.

2. На основе анализа существующих подходов к разработке средств автоматического управления в проточных системах разработана общая схема теоретических и экспериментальных исследований.

3. На основе анализа конструкции существующих пневмозахватных устройств выявлены основные факторы, влияющие на их работоспособность, оценены подходы к математическому описанию газодинамических процессов, протекающих в несущей воздушной прослойке при пневмозахвате осе-симметричной пластины с центральным отверстием.

4. Создана и экспериментально подтверждена математическая модель газодинамических процессов, протекающих в несущей воздушной прослойке пневмозахватного устройства, удерживающего осесимметричную пластину с центральным отверстием.

5. Создана и экспериментально подтверждена математическая модель газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке под действием вынужденных гармонических колебаний газораспределительной решётки.

6. Создана и экспериментально подтверждена математическая модель газодинамических процессов, протекающих в несущей прослойке под действием вынужденных негармонических колебаний газораспределительной решётки.

7. Разработаны математическое и программное обеспечение, позволяющие получить закон регулирования параметров системы для широкого спектра негармонических колебаний.

8. Разработан алгоритм управления системой активного пневмодемпфирования.

9. Разработана автоматическая система активной виброзащиты бесконтактного УСЗ информации на оптические диски.

10. Разработано УСЗ и проведен полный цикл промышленных испытаний в условиях пассажирского вагонного депо Воронеж Юго-Восточного филиала ОАО «ФПК». Социальный и научно-технический эффект выражался в повышении эффективности работы оборудования и ожидаемый экономический эффект составил 495 тыс. руб.

11. Разработано виброзащитное устройство стационарного крепления приборов и проведен полный цикл промышленных испытаний в условиях пассажирского вагонного депо Воронеж Юго-Восточного филиала ОАО «ФПК». Социальный и научно-технический эффект выражался в повышении эффективности работы оборудования и ожидаемый экономический эффект составил 30 тыс. руб.

12. Разработана виброзащитная платформа и проведен полный цикл промышленных испытаний в условиях Службы электрофикации Юго-Восточной железной дороги. Социальный и научно-технический эффект выражался в повышении эффективности работы оборудования и ожидаемый экономический эффект составил 81 тыс. руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стоянова, Наталья Викторовна, 2012 год

1. Указ президента РФ от 16.03.2010 №321 «О мерах по организации движения высокоскоростного железнодорожного транспорта в РФ»

2. Bitlersweet Times for Collectors of Laser Disk Movies, The New York Times April 29, 1999.

3. Бай Ши-И Введение в теорию течения сжимаемой жидкости Текст. / Пер. с англ. В. И. Ерошенко, Ю. Н. Петрова, В. К. Лишака; Под. ред. Н. И. Ющенковой М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1962. - 410 с.

4. Бай Ши-И. Теория струй Текст. / Бай Ши-и. М.: Физматгиз, 1960. - 326с

5. Синклер, А. Словарь компьютерных терминов Текст. / Пер. с англ. А. Помогайбо — М.: Вече, ACT, 1996. — С. 177.

6. Мюллер, С. Модернизация и ремонт ПК Текст. / С. Мюллер — М.: Вильяме, 2007 — С. 653—700.

7. Введенский, Б.С. Развитие оптических носителей и устройств записи и воспроизведения сигналов // Итоги науки и техники. Серия: Радиотехника. М.: ВИНИТИ. Т.43. 1991 С.88, 90.

8. Ларьков, Н.С. Документоведение Текст. / Н.С. Ларьков М.: ACT, 2006. - 206 с.

9. Санитарные правила и нормы 2.2.4. 13-7-2006 «Гигиенические требования к контролю и оценке уровней вибрации в вагонах подвижного состава железнодорожного транспорта»

10. Конкуренция в пассажирских перевозках // Под ред. Е.Ф. Ершова -Железные дороги мира №4, 2012 С. 2-4

11. Китай снижает темпы высокоскоростного строительства // Под ред. Е.Ф. Ершова Железные дороги мира №2, 2012 С. 3-5

12. Белов, C.B. Пористые материалы в машиностроении Текст. / C.B. Белов. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1981.-247 с.

13. Горелик, В.Ю. Анализ возможности использования энергоэффективной системы управления освещением объектов жд транспорта Текст.- / В.Ю. Горелик, С.Ю. Муштенко, Н.В. Стоянова // Наука и техника транспорта. М.: 2011. - №2. - С. 47-50.

14. Битюков, В.К. Толщина воздушной прослойки на струйном пневмомолотке Текст. / В. К. Битюков, В. Н. Колодежнов, Е. Д.Чертов. -Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1977. - №12. - с.161-164.

15. Константинеску, В.Н. Газовая смазка Текст. / В.Н. Константинеску. М.: Машиностроение, 1968. - 720 с.

16. Носов, O.A. Устройство для выгрузки тестовых заготовок из форм расстойных шкафов Текст. / O.A. Носов, М.А. Васечкин // Тез. докл.ХХХУШ отчетный научной конференции. 4.2 — Воронеж: ВГТА, 2000г.,С. 12.

17. Балакирев М.К., Гилинский И.А. Волны в пьезокристаллах. -Новосибирск: Наука, 1982.-240 с.

18. Борозденко, Д.А. Поле давления внутри зернистого слоя Текст. / Д.А.Борозденко, A.A. Бочкарев / Физ., радиофиз. нов. поколение в науке. -2002.-№2.-С. 5-10.

19. Васечкин, М.А. Математическая модель загрузки жесткой сферы на несущую прослойку Текст. / М.А. Васечкин, O.A. Носов, Е.В. Носова,

20. Д.С. Щербаков // Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках: Материалы IV Всероссийской научной Internet конференции. Тамбов: ИМФИ IIУ им. Г.Р. Державина, 2002. Вып. 20.-С. 51-52.

21. Елфимов, С.А. Струйные захватные устройства адаптивных промышленных роботов Текст. / С. А. Елфимов. Автореф. дис.канд. техн. наук: - Воронеж: ВГТА, 1999.

22. Маховер, Ю.М. Ленточные конвейеры с воздушной подушкой Текст. / Ю.М. Маховер, П.П. Опохов. М.: ЦНИИТЭИприборостроения, 1970. - 52 с.

23. Носов, O.A. Адаптивный привод прецизионной машины Текст./ O.A. Носов, Е.В. Носова, Н.В. Хабарова // Автоматизация и современные технологии. М.: Изд - во «Машиностроение», 2007. - № 3 - С. 11-14.

24. Носов, O.A. Адаптивный привод прецизионной машины Текст./ O.A. Носов, Е.В. Носова // Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. Сб. науч. трудов. Выпуск 16 Воронеж: ВГТА, 2006 г., С. 76 - 78.

25. Моделирование процесса распознавания образа изделия в пневмоцентробежном загрузочном устройстве // Изв. вузов. Машиностроение. 1989.-№6. - С.28-31.

26. Авцинов, И.А., Битюков, В.К., Попов, Г.В. Моделирование процесса распознавания образа изделия в пневмоцентробежном загрузочном устройстве // Изв. вузов. Машиностроение. 1989.-№6. - С.28-31.

27. Авцинов, И.А., Битюков, В.К., Попов, Г.В. Автоматизация загрузки штучных изделий в ГПС // Механизация и автоматизация пр-ва. 1988. №12. -С.1-3.

28. Авцинов, И. А., Мурзинов, В. Л. Ориентирующий бункер с использованием воздушной прослойки для гибких автоматизированных систем оборудования автоматизированных производств. М.: ЦИНТИхимнефтемаш АО «Рим», 1993. - С. 122-130.

29. Носова, Е.В. Автоматизированное управление бесконтактным формованием вязко-пластичных масс: Автореф. дис. канд. техн. наук -Воронеж: ВГТА, 2005.

30. Битюков, В.К. Пневматические конвейеры Текст. / В.К. Битюков, В.Н. Колодежнов, Б.И. Кущев. Воронеж: Изд. - ВГУ, 1984. - 164с.

31. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газов Текст. / Л.Г. Лойцянский.-Учеб. для вузов. Изд. 6-е, перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 840 с.

32. Васечкин, М.А. Математическая модель загрузки жесткой сферы на несущую прослойку Текст. / М.А. Васечкин, O.A. Носов, Е.Д. Чертов // Тез.док. XLI отчетной научной конференции. 4.2 Воронеж: ВГТА, 2003 г. С. 53-56.

33. Носов, O.A. Выбор режимов функционирования технических систем / Текст. / O.A. Носов, М.А. Васечкин, Н.В. Стоянова // Автоматизация и современные технологии. М.: 2012 - №4. - С. 6-11.

34. Носов, O.A. Методы и алгоритмы синтеза автоматизированных технологических систем с газовым буфером: Автореф. докт. техн. наук -Воронеж: ВГТА, 2007.

35. Носов, O.A. Виброзащита устройств с газовым буфером Текст. / O.A. Носов, М.А. Васечкин, Н.В. Стоянова // Материалы XLIX отчетной научной конференции за 2010 год: В 3 ч. 4.2. / Воронеж, гос. технол. акад. -Воронеж, 2011.-200 с.

36. Носов, O.A. Структурный анализ технических систем Текст. / O.A. Носов, Н.В. Стоянова, Е.А.Рыжкова // Материалы международной научно-технической интернет-конференции («ЭПАХШ1-2011»). Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж: ВГТА, 2011. С. 484-485.

37. Носов, O.A. Эффект пневмозахвата в несущей газовой прослойке Текст. / O.A. Носов, Е.Д. Чертов, Д.С. Щербаков // Тез. док. XL отчетной научной конференции. 4.2 Воронеж: ВГТА, 2002 г., С. 42 - 44.

38. ГОСТ 28376 -89 Компакт- диск. Параметры и размеры.

39. Бутенин, Н.В., Лунц, Я.Л., Меркин, Д.Р. Курс теоретической механики: Учебник в 2-х томах Т.Н.: Динамика. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука. Главная редакция физ. мат. литературы, 1979. - 544 с.

40. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т., Ред. совет: В.Н. Челомей (пред). М.: Машиностроение, 1978 - т.1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина, 1978. - 352 с.

41. Патент №2426181 Россия, G 11В 17/025 / Привод CD-проигрывателя / Носов O.A., Васечкин М.А., Жигулина М.О., Рыжкова Е.А. (Россия). Заяв. 05.04.2010.; Опубл. 10.08.2011, Бюл. № 22.

42. Чертов Е.Д., Васечкин М.А., Носова Е.В. Устройство для формирования и охлаждения молочных конфет // Тез. док. XXXIX отчетной научной конференции. 4.1 Воронеж: ВГТА, 2001 г., С. 142.

43. Сергеев, К.А. Динамика вагонов Текст. / К.А. Сергеев, Чернова Т.Г., Готаулин В.В. // Динамика вагонов: Конспект лекций. 4.1 — М.: РГОТПС, 2003. 80 с.

44. Ширшов, А.Б. Средства защиты от вредногоьи опасного воздействия электромагнитных полей тяговой сети: Автореф. дис. канд. техн. наук -Челябинск: УГУПС, 2006. 24 с.

45. Васечкин, М.А. Виброзащитная платформа Текст. / М.А. Васечкин, Н.В. Стоянова // Материалы XLIX отчетной научной конференции за 2010 год: В 3 ч. 4.2. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2011,- 200с

46. Патент №2282253 Россия, G 11В 19/27 / Привод электропроигрывателя грампластинок / Носов O.A., Щербаков Д.С., (Россия). Заяв. 15.03.2005.; Опубл. 20.08.2006, Бюл. № 23.1.l

47. Патент №2294022 Россия, G10 К 11 0/0 / Изотропный электроакустический излучатель / Носов O.A., Щербаков Д.С., (Россия). -Заяв. 27.09.2005.; Опубл. 20.02.2007, Бюл. № 13.

48. Сергеев, К.А. Воздушный буфер как средство виброзащиты приборов на транспорте Текст. / К.А. Сергеев, Н.В. Стоянова, O.A. Носов, М.А. Васечкин, // Наука и техника транспорта. М.: 2012 - №1. - С. 80-86.

49. Лихницкий, A.M. Качество звучания. Новый подход к тестированию аппаратуры. СПб, 1998. 120 с.

50. Радиус срединной окружности питающего сопла га=0,035 м Экспериментальная толщина прослойки /М03,м 0,7136 0,5943 0,4928 0,4646 ( 0,4423

51. Расчетная толщина прослойки #Ч03,м 0,6902 0,6214 0,5045 0,4415 0,3971

52. Емкость с-1012, Ф со г—1 I—1 тГ со сч т—Н т!" г-н

53. Расход воздуха 0, м3/ч 18,5 0\ г—1 <м со сч 1П <М

54. Радиус срединной окружности питающего сопла га=0,026 м Экспериментальная толщина прослойки /гэ-103, м 0,6826 0,5749 0,5112 0,4413 0,3748

55. Расчетная толщина прослойки #4 О3, м 0,6328 0,5835 0,4783 0,4174 0,3739

56. Емкость с-1012, Ф н СГ\ »о Г-Н оо 1-Н СЧ

57. Расход воздуха б, м3/ч 16,5 С* СЧ со сч

58. Радиус срединной окружности питающего сопла га=0,017 м Экспериментальная толщина прослойки /гэ-103,м 0,6924 0,5231 0,4541 0,3687 0,3213

59. Расчетная толщина прослойки ЛЧ03,м 0,6431 0,5031 0,4276 0,3776 0,3401

60. Емкость с-1012, Ф со со V© со о сч о ио сч г- оо г^

61. Расход воздуха Я, м3/ч 15,25 1 н сч со сч1 1 сч со 1Г>